基于大功率散熱器優化設計分析

張吉慶（大連斯頻德環境設備有限公司,遼寧大連116000）

基于大功率散熱器優化設計分析

張吉慶
（大連斯頻德環境設備有限公司,遼寧大連116000）

本文針對大功率LED燈具散熱器結構參數與散熱特點，采用仿真模擬軟件對其散熱系統的核心部件的結構參數進行模擬，并運用中心組合設計及響應面分析原理度平板翅片型散熱器進行優化設計。

大功率；散熱器；優化設計；參數分析

0　引言

發光二極管（LED）因具有使用壽命長、節能環保等特點被廣泛應用于現代LED顯示器及照明領域，隨著人們對于LED大規模應用，其工作功率也越來越大，在照明領域大功率LED裝置電能轉化率非常低，大部分電能生成電阻熱而浪費。另一方面如果大功率LED工作時不能熱量及時傳遞出去，就會降低燈具的使用壽命，因此對大功率散熱器裝置進行優化設計，對于提高燈具的使用壽命與工作效率具有非常重要的意義。

1　大功率散熱器結構優化設計依據

1.1散熱器翅片數量

一般散熱器的散熱面積越大，則熱容量、散熱效果越好。其散熱表面積取決于翅片高度與間距，翅片數越多，散熱的表面積越大，因此散熱器設計過程中相應增加翅片數量能夠有效降低燈具工作溫度、提高散熱效率，但由于燈具自身設計結構與尺寸的限制，翅片數量不可能無限制增加，而且如果翅片數量過多、密度相應增大，反而不利于散熱，因此翅片數量一般為35片左右。

1.2散熱器翅片寬度

散熱器翅片寬度主要體現于其厚度尺寸，但實際使用過程中翅片的厚度參數對于燈具散熱效果影響較小，因為厚度參數的改變并不能顯著改變翅片的有效散熱面積，如果過度增加翅片厚度，反而會增加設備制造成本。因此散熱器設計制造過程中，翅片寬度、厚度尺寸應盡量小，但受擠壓工藝技術限制，其厚度必須大于1mm。

1.3散熱器翅片高度

關于散熱器翅片高度對其散熱效果影響程度的分析，考慮利用試驗方法來解決，首先保證翅片的其他結構參數與工作環境不變，用計算機仿真軟件對翅片高度參數與燈具工作溫度關系進行仿真實驗，由實驗得出：隨著翅片高度參數的增加，燈具溫度出現明顯的下降趨勢，但是當翅片高度達到65mm左右時，高度繼續增加散熱能力趨于平緩，因此在一定范圍內增加翅片高度能夠顯著提高散熱器的散熱效果。

2　散熱器物理模型的建立

大功率LED燈具主要由多孔型燈殼、透光罩、反光器、照明電源、LED燈珠、鋁基集成電路以及平板型翅片散熱器等組成。根據要求可將其設定為LED燈珠：型號為OSRAMLUW-W5AM，燈珠需要10顆左右，每顆燈珠額定功率為1瓦，電能轉化效率設定為80%，在仿真模擬軟件中使用二維點光源表示；鋁基集成電路板的長寬高結構參數為180mm*92*1.5mm，線路板導熱系數設定為200W/(m*k),銅膜覆蓋厚度為60μm，導熱系數為380W(m*k)；平板型鋁翅片散熱器：散熱器長寬高參數為220mm*130mm*10mm，翅片厚度2mm，翅片間距及高度為：5mm，20mm,外殼導熱系數為200W(m*k)。

采用Icepak仿真模擬軟件進行實驗時，工作環境參數定義為自然對流換熱模型，且周圍介質環境為20°干燥空氣。該軟件計算域必須足夠大，一般情況下計算域選定為：重力反方向上的模型高度定為3倍模型參數，重力方向模型高度定為2倍模型參數，模型側面結構參數定為0.5倍結構參數，參考模型如圖1，利用三維軟件設計原理，可從不同層面對數據進行分析檢測，實驗過程中采用開放型邊界條件。

3　大功散熱器優化設計分析

3.1中心組合設計

首先采用等效電阻電路的處理方法，對散熱器三個結構參數進行優化設計。三個結構參數分別為：翅片高度20mm；翅片間距6mm；翅片厚度2mm，然后根據CentralComposite設計原理對三個結構參數對散熱器散熱效果的影響，得出以下實驗因素水平編碼值表：

表1　中心組合試驗設計因素水平編碼值表

表格中：r表示各結構參數與中心點的間距

3.2數學模型優化設計

運用DesignExpert8.06，可計算出散熱器三個結構參數對于散熱效果的響應值，最后得出下列方程式：

上述方程中：xi、xj為變量編碼值；b0、bi、bji、bii,為計算系數；p為變量代號。

3.3散熱器翅片結構參數最佳值確定

根據二次相應曲面模型計算方法求得二次相應面的對應方程的穩定取值點：

利用上式可將回歸方程換算為矩陣的形式：

然后利用求導法則對上式進行求導可得：

求得駐點即各結構參數的最佳值：

假如在實際取值范圍內無法求得駐點，即中心組核試驗確定的響應面圖形為近似板型，此時需要對考慮邊界條件確定最佳值點。

4　結語

本設計主要是對大功率LED燈具散熱器的核心部件：燈珠、鋁基集成電路板、平板翅型散熱器，采用中心組合法對翅片散熱系統結構參數進行優化設計：得出散熱器的三個響應因子為翅片高度、間距及厚度，響應值為散熱器工作溫度；通過實驗計算得出散熱器的工作溫度值，然后在利用DesignExpert8.06軟件響應面分析程序對實驗結果進行回歸擬合，得出影響散熱器散熱性能的結構參數按主次順序為：翅片高度＞翅片間距＞翅片厚度；3個響應因子的最佳結構組合為：翅片高度23．50mm，翅片間距6．05mm，翅片厚度1．32mm，在此條件下，散熱器溫度為45.2822℃。

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